621.3 Elektrotechnik, Elektronik
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Wirbelströme werden in der Mess- und Sensortechnik sehr erfolgreich benutzt, um berührungslos Risse und Abstände metallischer Halbzeuge zu bestimmen. Die Messung von Konturen ist mit diesem industrietauglichen Wirkprinzip bisher nicht realisiert worden. Hier werden häufig optische Messsysteme eingesetzt. Speziell bei glühenden Werkstücken oder bei Benetzung der Halbzeuge mit Bohremulsionen und Schneidölen steigt der Aufwand für den Einsatz optischer Systeme stark an. Messverfahren, die auf hochfrequenten Wirbelströmen basieren, sind aufgrund ihrer einfachen Aufbauten deutlich robuster und somit besser für diese Anwendung geeignet. Voruntersuchungen zeigten, dass mit dieser Methode schon kleine Geometrieabweichungen des Walzgutes von wenigen Mikrometern detektiert werden können. In diesem Beitrag werden zwei Möglichkeiten zur Messung der spektralen Impedanzbeeinflussung eines Messschwingkreises durch die Wirbelströme im Werkstück gegenübergestellt.
Im vorliegenden Beitrag wird das Phasen-Differenz-Verfahren zur Frequenzmessung der durch Rauschen gestörten Signale vorgestellt. Es wird gezeigt, dass Frequenzausreißer bei Anwendungen dieses Verfahrens entstehen, auch wenn das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ausreichend groß ist. Die Ursachen der Frequenzausreißer werden analysiert. Zur Korrektur wird ein Lösungsansatz vorgeschlagen. Im Vergleich mit anderen Verfahren kann das verbesserte Phasen-Differenz-Verfahren die Frequenz der durch Rauschen gestörten Signale mit größerer Genauigkeit und vertretbarem Rechenaufwand berechnen.
Untersuchung des Einflusses von Längsrissen in Drähten auf die Impedanz eines Wirbelstromsensors
(2012)
Electro-magnetic acoustic transducers (EMATs) are intended as non-contact and non-destructive ultrasound transducers for metallic material. The transmitted intensities from EMATS are modest, particularly at notable lift off distances. Some time ago a concept for a “coil only EMAT” was presented, without static magnetic field. In this contribution, such compact “coil only EMATs” with effective areas of 1–5 cm2 were driven to excessive power levels at MHz frequencies, using pulsed power technologies. RF induction currents of 10 kA and tens of Megawatts are applied. With increasing power the electroacoustic conversion efficiency also increases. The total effect is of second order or quadratic, therefore non-linear and progressive, and yields strong ultrasound signals up to kW/cm2 at MHz frequencies in the metal. Even at considerable lift off distances (cm) the ultrasound can be readily detected. Test materials are aluminum, ferromagnetic steel and stainless steel (non-ferromagnetic). Thereby, most metal types are represented. The technique is compared experimentally with other non-contact methods: laser pulse induced ultrasound and spark induced ultrasound, both damaging to the test object’s surface. At small lift off distances, the intensity from this EMAT concept clearly outperforms the laser pulses or heavy spark impacts.
Die folgende Bachelorarbeit analysiert und wertet die Messdaten eines Niederschlagsensors aus, der auf dem induktiven Wirbelstromprinzip aufbaut. Der Sensor wird an der Hochschule Ruhr West im Institut für Mess- und Sensortechnik entwickelt. Er soll nach erfolgreicher Konfiguration die Niederschlagsintensität und die Tropfengröße über die Resonanzfrequenz der Spule ausgeben können. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt die Bachelorarbeit eine Einschätzung, inwieweit das System für eine Niederschlagserfassung geeignet ist und welche Verbesserungen vorgenommen werden können. Dazu wurden die Messdaten in einer Regenkammer der Firma Lambrecht meteo GmbH erfasst. Für die Versuche wurden zwei Flachspulen mit Resonanzfrequenzen von 1,7 MHz und 8 MHz nacheinander ausgewertet. Die resultierenden Messdaten werden sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich auf Verhaltensmuster und Kennwerte untersucht. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass der Sensor aufgrund von äußeren Einflüssen und inneren Verhaltensweisen keine signifikante Antwort auf den Niederschlag ausgibt, um die Niederschlagsintensität und die Tropfengröße zu ermitteln. Dennoch zeigt sich, dass die Resonanzfrequenz der Spulen gegensätzliche Reaktionen hervorruft. Die Spule mit der Resonanzfrequenz von 1,7 MHz reagiert deutlich unempfindlicher auf äußere Einflüsse wie parasitäre Kapazitäten. Allerdings werden nur Regentropfeneinschläge bei hohen Niederschlagsmengen deutlich erkannt. Die Spule mit der Resonanzfrequenz von 8 MHz hingegen zeigt ein empfindlicheres Verhalten auf äußere Einflüsse. Zur Optimierung des Niederschlagssensors, muss dieser konfiguriert werden, damit er äußeren Einflüssen robust entgegenwirkt und den Niederschlag sensibel genug detektiert. Zudem müssen Ausreißer, die in der Frequenzanalyse entdeckt wurden und von den inneren Verhaltensweisen stammen, entfernt werden.
Photolumineszenz (PL) aus Halbleiterstrukturen liefert Informationen bezüglich verschiedener Materialparameter wie z.B. Bandlücke, Schichtdicke sowie Temperatur. PL-Messungen werden klassischerweise erst ex situ und somit nach dem Produktionsprozess vorgenommen. Wird eine derartige PL-Messung während der Epitaxie einer Halbleiterstruktur und den damit verbundenen hohen Wachstumstemperaturen durchgeführt, erlaubt dies eine quasi-kontinuierliche In-situ-Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften dieser Struktur zum frühestmöglichen Zeitpunkt, also noch in der Produktionsphase. Hierdurch wird eine In-situ-Optimierung der Prozessparameter ermöglicht, welche bei einer Ex-situ-Messung nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst theoretisch und dann anhand praktischer Messungen an industrienahen Epitaxie-Anlagen erstmals eine quasi-kontinuierliche In-situ-PL-Messung am Beispiel von wachsenden Nitrid-Halbleiterstrukturen. Über zeitaufgelöste PL-Messungen wird ein temperaturabhängiger Quenching-Mechanismus bei Gallium-Nitrid (GaN) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) aufgezeigt, welcher den Einsatz von gepulsten Lasern als PL-Anregungsquelle bei hohen Wachstumstemperaturen einer Epitaxie erforderlich macht. Mit In-situ-PL-Messungen können hierdurch erstmals verschiedene Parameter einer gerade wachsenden Halbleiterschicht charakterisiert werden. Neben der Bestimmung der Temperatur und der Schichtdicke einer wachsenden, auf InGaN basierten LED-Struktur wird auch die Möglichkeit demonstriert, in einem frühen Stadium des Wachstums einer LED-Struktur ihre spätere Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur vorherzusagen, und dies mit einer Genauigkeit von ± 1,3 nm (2σ). Diese Arbeit zeigt somit neben den industriell etablierten Messtechniken, wie z.B. pyrometrische Verfahren, eine weitere Möglichkeit zur Prozessüberwachung einer Epitaxie auf.
Efficient photoluminescence (PL) spectra from GaN and InGaN layers at temperatures up to 1100 K are observed with low noise floor and high dynamic resolution. A number of detailed spectral features in the PL can be directly linked to physical properties of the epitaxial grown layer. The method is suggested as an in situ monitoring tool during epitaxy of nitride LED and laser structures. Layer properties like thickness, band gap or film temperature distribution are feasible.